國立宜蘭大學生物機電工程學系 碩士論文 Department of Biomechatronic Engineering National Ilan University Master Thesis

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國立宜蘭大學生物機電工程學系 碩士論文

Department of Biomechatronic Engineering National Ilan University

Master Thesis

電腦輔助全懸式自行車車架結構與避震系統特性分析與改良 Computer Aided Frame Structure and Suspension Mechanism Properties Analysis and Modification of a Full-Suspension Bicycle

指導教授:吳剛智博士

Gang-Jhy Wu, Ph. D.

研究生:林鼎崙

Ding-Lun Lin

中華民國九十八年七月

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I

誌 誌 誌 誌謝 謝 謝

本論文可以順利的完成,首先要感謝我的論文指導教授吳剛智老師。老師對於我的 論文寫作有很大的指導與幫助,像是論文寫作的格式與內容,以及整個文章的邏輯與思 維,在經過老師指點與提醒之後,變的更加清晰,研究的思緒也更有條理。從初稿、碩 士論文研究計畫書、碩士論文的最後一稿,都有賴老師細心的閱讀與批改,並針對內容 與格式予以修改,給我很大的啟發與思考,也讓我的論文最終可以順利的完成。研究期 間,偶爾經歷心情上的低潮時期,老師也不斷的鼓勵與激發我,讓我可以重新上緊發條,

繼續完成論文。非常感謝老師這二年下來對我的指導與提點,讓我在寫作之外,同時從 中獲得了瞭解老師寫作方法與找尋文獻的樂趣,受益匪淺。

接著,要感謝的是我口試委員程安邦老師、葉仲基老師。除了感謝他們願意擔任我 的論文口試委員之外,還有對於我論文架構上的提點與建議,包括對於結果的圖表與文 字敘述方面,提供了許多改善的建議與方法及改良的寫作方法。最後,感謝學長建志及 奕傑與同儕家峰、健寬、炳宏、慕德與聖傑於修課及研究過程中的相互切磋及學習;以 及學弟文基、鴻任、志炫及書宏在口試期間的幫忙,使得研究成果更趨於完整。另外,

也要感謝我的家人,這二年來始終默默的在背後幫我加油,給予我精神上的言語鼓勵或 是物質上的經濟支援,讓我完成學業與論文的時候,可以沒有後顧之憂,專心一致順利 完成研究所的生涯。

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II

中文摘要 中文摘要 中文摘要 中文摘要

本研究使用 I-DEAS 及 ADAMS 套裝軟體,建構自行車有限元素分析、人-車整合動 態模擬分析、及路面-輪胎動態分析等電腦模型,應用電腦輔助工程技術,以市售某一 款全懸式自行車為案例,探討自行車車架材料與結構性質之關係,並進行懸吊系統之特 性分析與改良。在車架材料-結構分析上,探討現今常用之鋁、鎂、鈦三種合金材料車 架在靜態負荷下的結構特性。在懸吊系統特性之分析與改良方面,主要是模擬分析自行 車以兩種速度行四種路面障礙路況時的反應,並進行後避震系統之動態避震性能分析。

而在懸吊系統設計改良方面,乃以自行車之手把及座位等部位的振動情形,作為自行車 騎乘舒適度的參考指標,改變前後避震器之彈簧常數與阻尼係數值,及後避震器的裝設 位置等方式,探討其對於自行車避震效果的影響。

研究結果顯示,在車架結構方面,三種材料車架在相同負荷下之應力最大值皆位 於自行車架的下管與座管相接部位,且差異不大,而在結構安全分析上,三種材料車架 結構在承受本文所設定之負載重量時皆未受到破壞,以鋁合金 A6061-T6 安全係數為最 大。在車架尺寸改良方面,將車架座管高度尺寸設計至 145 mm 可有效降低應力最大值。

在避震系統方面,減小後避震器之彈簧常數及增加其阻尼係數可減小行駛相同路 況下手把及座位的垂直加速度值,提供較佳的騎乘舒適度。就座位加速度而言,以路面 障礙 A 路況較其它三種路面障礙要來的高,騎乘此路況時較為不舒適。而調整前避震器 之設計參數,在 20 km/h 速度以下,對座位的加速度值無顯著影響。將後避震器自原裝 設位置調高 10°,可使研究案例自行車適用較廣泛的騎乘者及得到較佳的騎乘舒適度。

本研究建構的電腦模型、驗證的模擬分析技術與成果應可作為日後自行車的設計改良的 參考。

關鍵詞:自行車、振動、避震機構、動態模擬、有限元素分析

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III

Abstract

This research used CAD software packages, I-DEAS and ADAMS, to developed computer bicycle, human-bicycle integration, and road-tire interaction models to study the performance characteristics of bicycle suspension systems and to propose modification suggestions. A commercial full-suspension bicycle was adopted as an example. The developed models were used to study the structure properties of the bicycle structure frame made of three different alloys, aluminum, magnesium, and titanium, to examine the material-structural property relationship. Using vertical acceleration of the handles and the rider’s seat as indices, the performance characteristic of the bicycle suspension mechanisms were analyzed by deriving the bicycle through four road surfaces, each has different simulated obstacles. This research also tried to improve the performance of the bicycle suspension system by adjusting the spring constant, and the damping ratio of the suspension mechanism, and by adjusting the installation position of the mechanism.

Results showed that under the same rider’s weight as loading, no significant difference of maximum stress existed among all three structure frames made of different materials.

Maximum stress occurred around the connection point of the seat tube and the lower bar of the structure frame. Reducing the spring constant and increase the damping ratio of the rear suspension mechanism could reduce the vertical acceleration of the handlers and rider’s seat of the bicycle and offer better ridding comfort. Adjusting the design parameters of the front suspension mechanism, however, had no significant effect on the acceleration of the rider’s seat if the speed of the bicycle is below 20 km/h. Raising the rear suspension mechanism 10° from its original position could offer better riding comfort and make the bicycle suitable for broader rider groups. Hopefully, future bicycle design and development researches can

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IV

benefit from the computer models and the relevant simulation and analysis techniques developed in this research.

Keywords: Bicycle, Vibration, Suspension system, CAD, FEM

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V

目錄 目錄 目錄 目錄

誌謝...I 中文摘要... II Abstract ... III 目錄... V 圖目錄...VII 表目錄...XII

第一章 緒論 ... 1

1-1 前言 ... 1

1-2 研究動機... 2

1-3 研究目的... 3

第二章 文獻探討... 4

2-1 自行車架及其懸吊系統機構簡介 ... 4

2-1-1 車架材料介紹 ... 4

2-1-2 自行車之避震系統介紹 ... 4

2-1-3 自行車懸吊系統種類... 5

2-2 文獻回顧... 12

第三章 材料與方法 ... 16

3-1 研究材料... 16

3-1-1 研究對象 ... 16

3-1-2 使用軟體 ... 17

3-2 研究方法... 18

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VI

3-3 電腦模擬分析 ... 19

3-3-1 自行車車架之電腦模型建構 ... 20

3-3-2 自行車模型驗證... 23

3-3-3 自行車車架模型結構之有限元素分析 ... 23

3-3-4 輪胎與路面模型之建構 ... 27

3-3-5 自行車模型之避震器參數及系統邊界條件設定... 35

3-3-6 人機電腦模型之建構... 43

3-3-7 行車模擬狀況設定... 44

3-3-8 避震系統性能模擬分析 ... 45

3-3-9 避震器參數設定與避震系統之改良... 46

3-3-10 人因考量之設計改良... 46

第四章 結果與討論 ... 49

4-1 不同材料車架結構特性分析 ... 49

4-2 不同路況下之避震系統性能分析 ... 57

4-3 調整避震器參數對於騎乘舒適度影響分析 ... 63

4-4 調整後避震器裝設位置對騎乘舒適度的影響分析 ... 63

4-5 人因考量之設計改良... 77

第五章 結論與建議 ... 80

5-1 結論 ... 80

5-2 未來改進及研究方向... 81

參考文獻... 82

附錄 A... 85

附錄 B ... 88

(11)

VII

圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖目錄

圖 1-1 自行車產業近年來國內銷售比率成長圖 (經濟部、台經院 2007) ... 1

圖 1-2 自行車近年來出口單價及銷售量成長率 (自行車同業公會 2007) ... 2

圖 2-1 套筒式前懸吊系統內部構造圖 (MTB 2008)... 6

圖 2-2 連桿式前避震器 ... 7

圖 2-3 使用前懸吊系統之連桿式自行車... 7

圖 2-4 套筒式前避震器 ... 8

圖 2-5 使用前懸吊系統之套筒式自行車... 8

圖 2-6 低轉點避震系統 ... 10

圖 2-7 高轉點避震系統 ... 10

圖 2-8 聯結式避震系統 ... 10

圖 2-9 自行車四連桿後避震機構 (陳 2001) ... 11

圖 2-10 自行車六連桿後避震機構 (陳 2001) ... 11

圖 3-1 本文研究對象之全懸式自行車 (巨大股份有限公司) ... 16

圖 3-2 電腦模擬分析流程圖... 19

圖 3-3 本研究對象自行車之重要部位元件圖... 20

圖 3-4 以 I-DEAS 建構之自行車電腦模型 (前等角視圖)... 21

圖 3-5 以 I-DEAS 建構之自行車電腦模型 (後等角視圖) ... 22

圖 3-6 有限元素分析流程圖... 23

圖 3-7 I-DEAS 中自行車車架基本材料性質設定 ... 25

圖 3-8 自行車車架電腦模型拘束條件與負載位置 ... 25

圖 3-9 四面體元素劃分圖... 26

圖 3-10 車架有限元素模型分割圖 ... 26

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VIII

圖 3-11 輪胎幾何外型示意圖 (傅 2003) ... 28

圖 3-12 以 ADAMS 建構電腦模型之未受負載之輪胎實際尺寸... 28

圖 3-13 路面幾何外型示意圖 (傅 2003)... 29

圖 3-14 本研究路面模型之節點元素相關位置... 30

圖 3-15 含障礙物 A 路況之路面側面示意圖... 31

圖 3-16 以 ADAMS 建構含障礙物 A 模擬路況之路面 ... 31

圖 3-17 含障礙物 B 路況之路面側面示意圖 ... 32

圖 3-18 以 ADAMS 建構含障礙物 B 模擬路況之路面 ... 32

圖 3-19 含障礙物 C 路況之路面側面示意圖 ... 33

圖 3-20 以 ADAMS 建構含障礙物 C 模擬路況之路面 ... 33

圖 3-21 含障礙物 D 路況之路面側面示意圖... 34

圖 3-22 以 ADAMS 建構含障礙物 D 模擬路況之路面 ... 34

圖 3-23 ADAMS 內建之固定接頭示意圖 ... 36

圖 3- 24 座椅與座管部位以固定接頭固定示意圖 ... 36

圖 3-25 車架與手把以固定接頭連接示意圖... 37

圖 3-26 車架與齒輪部位以固定接頭連接示意圖 ... 37

圖 3-27 後避震器前端以固定接頭連接示意... 38

圖 3-28 ADAMS 內建之平移接頭示意圖 ... 38

圖 3-29 前避震器平移接頭連接示意圖 ... 39

圖 3-30 ADAMS 內建之旋轉接頭示意圖 ... 39

圖 3-31 前輪以旋轉接頭固定示意圖 ... 40

圖 3-32 後輪以旋轉接頭固定示意圖 ... 40

圖 3-33 車架與後四連桿機構以旋轉接頭連接示意圖 ... 41

圖 3-34 後避震器後端以旋轉接頭連接示意圖... 41

圖 3-35 ADAMS 內建之平面接頭示意圖 ... 42

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IX

圖 3-36 輪胎模型附著與路面上以平面接頭連接圖 ... 42

圖 3-37 人機模型建構之流程圖 ... 43

圖 3-38 人體之電腦模型... 44

圖 3-39 人–車整合之電腦模型 ... 44

圖 3-40 ADAMS 內自行車行經路面障礙路況之速度設定 ... 44

圖 3-41 自行車之手把及座位質心位置 ... 45

圖 3-42 自行車後避震器壓縮行程示意圖... 48

圖 3-43 自行車後避震器裝設位置調整角度 ... 48

圖 4-1 靜態強度分析之鋁合金車架應力分析圖 (等角視圖) ... 50

圖 4-2 靜態強度分析之鋁合金車架位移圖 (等角視圖)... 51

圖 4-3 靜態強度分析之鎂合金車架應力分析圖 (等角視圖) ... 51

圖 4-4 靜態強度分析之鎂合金車架位移圖 (等角視圖)... 52

圖 4-5 靜態強度分析之鈦合金車架應力分析圖 (等角視圖) ... 52

圖 4-6 靜態強度分析之鈦合金車架位移圖 (等角視圖)... 53

圖 4-7 靜態強度分析之鋁合金車架最大應力分佈圖 (後等角視圖)... 53

圖 4-8 靜態強度分析之鎂合金車架最大應力分佈圖 (後等角視圖)... 54

圖 4-9 靜態強度分析之鈦合金車架最大應力分佈圖 (後等角視圖)... 54

圖 4-10 鋁合金 A6061-T6 車架之疊代次數與應力關係變化圖 ... 55

圖 4-11 鋁合金 A6061-T6 車架之疊代次數與座管高度尺寸關係變化圖 ... 55

圖 4-12 鋁合金 A6061-T6 車架疊代次數與座管位移關係變化圖 ... 56

圖 4-13 鋁合金 A6061-T6 車架之改良前結構應力分佈圖 ... 56

圖 4-14 鋁合金 A6061-T6 車架之改良後結構應力分佈圖 ... 57

圖 4-15 模擬自行車行經含路面障礙 A 路況之手把加速度變化情形 ... 58

圖 4-16 模擬自行車行經含路面障礙 A 路況之座位加速度變化情形 ... 58

圖 4-17 模擬自行車行經含路面障礙 B 路況之手把加速度變化情形... 59

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X

圖 4-18 模擬自行車行經含路面障礙 B 路況之座位加速度變化情形... 59

圖 4-19 模擬自行車行經含路面障礙 C 路況之手把加速度變化情形... 60

圖 4-20 模擬自行車行經含路面障礙 C 路況之座位加速度變化情形... 60

圖 4-21 模擬自行車行經含路面障礙 D 路況之手把加速度變化情形 ... 61

圖 4-22 模擬自行車行經含路面障礙 D 路況之座位加速度變化情形 ... 61

圖 4-23 後避震器參數調整行經含路面路面障礙 A 路況之手把及座位加速度值 ... 64

圖 4-24 前避震器參數調整行經含路面路面障礙 A 路況之手把及座位加速值 ... 64

圖 4-25 後避震器參數調整行經含路面路面障礙 B 路況之手把及座位加速度值 ... 65

圖 4-26 前避震器參數調整行經含路面路面障礙 B 路況之手把及座位加速度值 ... 65

圖 4-27 後避震器參數調整行經含路面路面障礙 C 路況之手把及座位加速度值 ... 66

圖 4-28 前避震器參數調整行經含路面路面障礙 C 路況之手把及座位加速度值 ... 66

圖 4-29 後避震器參數調整行經含路面路面障礙 D 路況之手把及座位加速度值 ... 67

圖 4-30 前避震器參數調整行經含路面路面障礙 D 路況之手把及座位加速度值 ... 67

圖 4-31 後避震器裝設位置調整之障礙 A 路況之座位加速度變化情形... 68

圖 4-32 後避震器裝設位置調整之障礙 A 路況之座位加速度變化情形... 68

圖 4-33 後避震器裝設位置調整之障礙 A 路況之手把加速度變化情形... 69

圖 4-34 後避震器裝設位置調整之障礙 A 路況之手把加速度變化情形... 69

圖 4-35 後避震器裝設位置調整之障礙 B 路況之座位加速度變化情形... 70

圖 4-36 後避震器裝設位置調整之障礙 B 路況之座位加速度變化情形... 70

圖 4-37 後避震器裝設位置調整之障礙 B 路況之手把加速度變化情形... 71

圖 4-38 後避震器裝設位置調整之障礙 B 路況之手把加速度變化情形... 71

圖 4-39 後避震器裝設位置調整之障礙 C 路況之座位加速度變化情形... 72

圖 4-40 後避震器裝設位置調整之障礙 C 路況之座位加速度變化情形... 72

圖 4-41 後避震器裝設位置調整之障礙 C 路況之手把加速度變化情形... 73

圖 4-42 後避震器裝設位置調整之障礙 C 路況之手把加速度變化情形... 73

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XI

圖 4-43 後避震器裝設位置調整之障礙 D 路況之座位加速度變化情形... 74

圖 4-44 後避震器裝設位置調整之障礙 D 路況之座位加速度變化情形... 74

圖 4-45 後避震器裝設位置調整之障礙 D 路況之手把加速度變化情形... 75

圖 4-46 後避震器裝設位置調整之障礙 D 路況之手把加速度變化情形... 75

圖 4-47 調整後避震器裝設位置之座位加速度變化情形... 76

圖 4-48 調整後避震器裝設位置之手把加速度變化情形... 76

圖 4-49 ADAMS 軟體內建較佳化模式 ... 77

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XII

表目錄 表目錄 表目錄 表目錄

表 3-1 本研究對象自行車各組成元件規格... 21

表 3-2 車架重要元件之物理性質 ... 22

表 3-3 本研究自行車材料之機械成份 ... 24

表 3-4 本研究自行車材料之機械性質 ... 24

表 3-5 ADAMS/View 輪胎類型概述 ... 27

表 3-6 前後避震器參數初始設定值 ... 35

表 3-7 身高於身體各部位的分配百分比... 44

表 3-8 自行車負荷五點分配情形 ... 44

表 3-9 調整後避震器之設計參數組合 ... 47

表 3-10 調整前避震器之設計參數組合 ... 47

表 4-1 不同材料車架在騎乘者體重負荷下之應力值及結構安全評估表... 50

表 4-2 模擬自行車行經含路面障礙 A 路況之瞬間最大加速度值 ... 62

表 4-3 模擬自行車行經含路面障礙 B 路況之瞬間最大加速度值 ... 62

表 4-4 模擬自行車行經含半正弦波路面障礙 C 路況之瞬間最大加速度值 ... 62

表 4-5 模擬自行車行經含半正弦波路面障礙 D 路況之瞬間最大加速度值... 62

表 4-6 以 ADAMS 計算不同體重騎乘者之路面障礙 A 路況後避震器改良參數組合 ... 78

表 4-7 以 ADAMS 計算不同體重騎乘者之路面障礙 B 路況後避震器改良參數組合 ... 78

表 4-8 以 ADAMS 計算不同體重騎乘者之路面障礙 C 路況後避震器改良參數組合 ... 79

表 4-9 以 ADAMS 計算不同體重騎乘者之路面障礙 D 路況後避震器改良參數組合 ... 79

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1

第一章 第一章 第一章

第一章 緒論 緒論 緒論 緒論

1-1 前言

隨著各國生活品質的提升,休閒運動風氣的盛行,以及政府所推動節能減碳的政策 和開闢多條全國自行車休閒步道,提升了國內民眾購買自行車的意願。根據經濟部的統 計,自行車內銷比率由 2005 年的 2.76 %提升至 2007 年的 5.16 %,代表國內民眾以自行 車作為交通或休閒的工具已有逐漸成長的趨勢 (圖 1-1)。

2.12%

4.51%

5.43%

4.16% 4.94%

5.94%

5.41%

2.96% 2.7%

4.11%

5.36%

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

年份 年份年份 年份

圖 1-1 自行車產業近年來國內銷售比率成長圖 (經濟部、台經院 2007)

由於自行車的內銷明顯的增加,早期自行車的設計款式已無法滿足現代民眾的高度 需求,為了提高自行車產業在未來的競爭力,必須走向高品質、高性能與價格合理的高 階自行車市場。最近幾年的統計,自行車的平均單價在 2005 年後已超過 200 元美金,

出口銷售量成長率已低於交售單價成長率 (圖 1-2),代表台灣的自行車產業已邁向中高 階級的車款。

一部理想的高階自行車設計重點有車架材料的選用及優越的避震系統。在車架結構 方面須具備的特性有重量輕、強度夠、吸震性佳、操控好、騎乘舒適等。早期的自行車

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2

車架材料大部份由鐵及高碳鋼製造而成,容易造成車體受損及生銹,因而對車架的結構 強度造成很大威脅,同時對於騎乘時的操控性與舒適度也不佳。隨著近幾年來自行車產 業的不斷的進步,國內民眾對於自行車的基本配備要求也相對提高,目前市面上自行車 車架材料已從以往的高碳鋼改用鋁合金、鎂合金以及鈦合金。

圖 1-2 自行車近年來出口單價及銷售量成長率 (自行車同業公會 2007)

在避震系統方面,早期自行車的避震系統主要是以輪胎胎壓和座墊彈簧提供騎乘時 的避震效果,對於行駛於崎嶇不平的道路所產生的振動,實在是無法維持一定的舒適度 與操控性。現今的自行車,則從無懸吊避震機構演進成雙懸吊避震機構,也就是全懸式 自行車。這類自行車在前後避震器的輔助下,增加了騎乘時穩定性及安全性,也提升了 自行車在騎乘時的舒適度與操控性。性能優越的懸吊系統已成為目前自行車設計的必備 重點之一。

1-2 研究動機

一部新型自行車的設計由最初至實體的完成,往往經過了許多次的設計及修正,需 要耗費大量的研發時間及成本。而應用電腦輔助技術可建構車體的虛擬模型及快速變更 相關設計參數,而在較短的時間內做出正確可靠的設計,以降低自行車開發的時間以及

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3 成本,進而提升自行車市場的競爭力。

自行車從單純的交通工具,至目前已成為休閒交通等多功能的工具。然而過去對於 自行車的研究重點,較偏重於自行車車身的曲線設計與變速系統的改良;對於自行車架 結構和騎乘時的舒適度的研究較有限,有待加強增進。

1-3 研究目的

本研究的目的在利用電腦輔助工程的技術,以某一國產之全懸式自行車為對象,建 構電腦分析模型,對該自行車之車架結構與避震系統特性進行特性分析及探討,並且進 一步研擬可能之改良方案,以改善減震效果因而提升騎乘時的舒適度。期望所研發的模 型與技術能為往後開發設計或改良自行車時所應用與參考。

(20)

4

第二章 第二章 第二章

第二章 文獻探討 文獻探討 文獻探討 文獻探討

2-1 自行車架及其懸吊系統機構簡介

目前市面上全懸式自行車種類繁多,除了車架材料的不同外,車架重心、避震器之 彈簧常數 K 值及阻尼係數 C 值、滾動阻力與空氣阻力等,各有差異。

2-1-1 車架材料介紹

鋁合金具有重量輕,可塑性高、剛性高與高度抗氧化等優點。雖然造價比起傳統的 高碳鋼車架來的昂貴,但是在製造車架的形狀上有很大的變化空間,得以進行重量較佳 化來節省成本,所以近幾年常作為自行車車架材料。

鈦合金本身重量輕強度大,給人的印象是輕而硬。早期的鈦合金車架,只作為比賽 用車;但因剛性不足,不適合於長距離賽車。剛開始時鈦合金使一些人著迷,曾經有些 熱衷於輕量化的騎手,把所有的螺絲都換成鈦合金製的才滿意。一般人認為鈦金屬貴而 稀有;實際上鈦是地球上埋藏量豐富的元素之一,只是由於合金的製作不易,成本昂貴。

鎂合金比鋁合金還要輕,加工性又好,但是容易生銹。由於鎂是劇烈氧化的金屬,

不小心操作錯了很容易爆炸;加上鎂的彈性模數比鋁低許多,要增加其剛性,管的直徑 要大,這可能會影響騎乘時對空氣的阻抗,所以目前還沒有太多的廠商利用鎂合金來製 作車架。

2-1-2 自行車之避震系統介紹

所有車輛行經不規則路面所產生的振動與衝擊,一小部份由輪胎吸收,其餘的則由 輪胎與車身之間的懸吊系統吸收,以達到良好的舒適度與操控性。懸吊系統需具備的功 能為支持車身重量,緩和及吸收外界路面不規則所造成的振動,及加、減速與轉彎所造

(21)

5

成的車身晃動,保持車身與輪胎之間的位置與相對運動,以維持車輛良好的舒適度與操 控性,減少與緩衝車身與各部位因運動狀態改變下而承受的應力。懸吊機構配上避震器 彈簧與阻尼的減震特性,構成了懸吊系統的主要部分,再加上輪胎的減震,完成整部車 輛懸吊系統的避震功能。

(1) 彈簧 (Spring)

彈簧的主要功能為儲存能量。當我們施一固定的力於彈簧,它會產生變形,當我們 移開施力則彈簧會有恢復原狀的趨勢。但彈簧在回彈時震盪的幅度往往會超過它原來的 長度,直到有摩擦阻力的出現才會減緩彈簧回彈後造成的自由震盪。彈簧具有不同型式 及材料,即使是相同的形狀,其彈簧常數 K 值也有所不同。彈簧的彈簧常數影響整個避 震器的吸震能力及彈簧變形量。理想的線性彈簧,彈簧常數 K 值永遠保持定值。彈簧的 功能包括支持車身及吸收不平路面和加、減速、轉彎等其它施力對輪胎所造成的衝擊。

(2) 阻尼器 (Damper)

在避震器中阻尼器的功能為消耗路面所傳來的衝擊能量。衝擊能量是由彈簧來負責 吸收,阻尼器的功用則是衰減作用,扮演能量消耗的角色。衰減作用的控制主要是利用 固體、液體及氣體。無論用那種方法控制,目的都是要使彈簧所儲存的位能轉換成熱能 方式消耗掉,避免其以動能方式作用而產生新的振動。如此一來,可以減低彈簧的振幅,

使避震器回復原本的平衡狀態。因此一個理想的避震器必須靠彈簧與阻尼器互相配合才 能達到良好的避震效果。

2-1-3 自行車懸吊系統種類

自行車懸吊系統分為前懸吊系統及後懸吊系統兩大類,前懸吊系統主要分為連桿式 及望遠鏡式,而後懸吊系統主要分為四連桿懸吊系統與六連桿懸吊系統。

(1) 前懸吊系統 (Front Suspension)

自行車前懸吊系統 (圖 2-1),負責輪胎轉向時的操控性與安全性,使輪胎可以做 內、外管之間的相對運動,而具有減震的功能。在一般正立式前叉中,外管所需要擔負

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6

的力量來源很多,必須承擔受輪胎各方向所傳遞來的振動。內管與三角台相接,在設計 上,會盡量延伸兩者的接觸面積,以增加前叉的整體剛性。

圖 2-1 套筒式前懸吊系統內部構造圖 (MTB 2008)

自行車前懸吊系統中,就外觀及避震機構型式來區分,主要分為連桿式 (圖 2-2 與 2-3)與套筒式 (圖 2-4 與 2-5)兩大類,較常使用的是套筒式。連桿式係因具有連趕組合 的設計特色,經由幾何位置設計及運動特性,搭配出適當的彈簧特性,以達到較佳的減 震效果;同時因無滑動元件,所以彎曲及扭轉剛性較套筒式來的佳。缺點為連趕結合處 之旋轉軸承套容易磨損,造成避震效果變差,其連桿組合的設計型式較為困難。而套筒 式則是利用兩側滑筒 (內有彈簧與阻尼器)的伸縮來達到避震效果,此種懸吊形式的輪 軸行程長、橫向剛性強避震,效果良好及結構簡單;缺點為滑筒未受壓力時,支撐較差,

使滑筒間隙擴大,易造成避震器漏油。其作動方式也使得扭轉及彎曲剛性較差;但由於 設計簡單及價格便宜就可以達到前懸吊系統的基本功能,成為目前自行車車款的主流。

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7

圖 2-2 連桿式前避震器

圖 2-3 使用前懸吊系統之連桿式自行車

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圖 2-4 套筒式前避震器

圖 2-5 使用前懸吊系統之套筒式自行車

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9 (2) 後懸吊系統 (Rear suspension)

為了使後輪位移方向垂直地面,且後輪軸在位移過程中保持垂直於車架平面,後懸 吊系統引用平行於車架平面的連桿機構。由於後懸吊機構本身並不主動使用任何動力加 以驅動,或是人為操作控制其作動,而僅以地面經由車輪作用於後輪軸的力做為輸入,

故為一個自由度的機構。因此後懸吊系統應具有相對拘束運動、避震與支撐等功能。

自行車後避震裝置之車架與後三角連桿機構主要是利用旋轉支點來聯結作動,並且 在適當的位置裝設後避震器來達到減震的效果。依旋轉支點位置可分為低轉點避震系 統、高轉點避震器統及聯結軸式避震系統。低轉點避震系統之旋轉支點中心位於後輪中 心之下方 (圖 2-6),當後輪受到來自地面的震動時,後輪運動軌跡主要是呈現向上且向 前的趨勢。優點為結構簡單;缺點為遭受地面震動時易造成車速變慢及車體反彈等現 象。高轉點避震系統之旋轉支點中心位於後輪中心之上方 (圖 2-7),當後輪受到來自地 面的震動時,後輪運動軌跡主要是呈現向上且向後的趨勢。優點為吸振效果比起其它兩 種來得較佳;缺點為在遭受地面震動時,鏈條的伸長量變大,造成踏板回擊力道過大。

聯結式避震系統之旋轉支點位於五通的上方 (圖 2-8),且因為五通與後輪屬於同步作動 設計,因此較不會影響傳動系統的作用。優點為遭受地面震動時,對於車速較不會遞減,

對於騎乘者影響也較小;缺點為設計較為其它兩種系統來得費時及困難。

而在後避震機構連桿分類方面,根據陳 (2001)調查市面上使用後懸吊機構自行車 中,大部分均使用一個自由度的連桿式後懸吊機構,所以連桿式懸吊機構逐漸成為後懸 吊系統的主流。以機構學的觀點來看,連桿式後懸吊機構可簡單地依照桿數分類,目前 市面上自行車後懸吊機構主要分為四連桿機構 (圖 2-9)與六連桿機構 (圖 2-10)兩大 類。四連桿機構設計簡單,價格便宜;但缺點為輪軸行程短,槓桿比變化小,為目前市 面最常見的後懸吊系統。六連桿機構則具有輪軸行程長,軟硬行程變化大,重心集中、

操控性良好等優點;但設計及裝置較複雜。

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圖 2-6 低轉點避震系統

圖 2-7 高轉點避震系統

圖 2-8 聯結式避震系統

旋轉支點

旋轉支點

旋轉支點

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圖 2-9 自行車四連桿後避震機構 (陳 2001)

圖 2-10 自行車六連桿後避震機構 (陳 2001)

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2-2 文獻回顧

車架結構與避震系統應用在汽機車上已有長久的歷史;最近幾年這項技術也逐漸應 用於自行車上,因而對於自行車避震性能相關議題,國內外有許多的相關研究。

在材料結構與有限元素分析方面,卓 (2003)利用有限元素法模擬機車車體結構模 式,包含機車結構的動態與靜態分析以及車體結構的較佳化設計。在動態方面利用電腦 求出車體結構的自然振頻,並以實驗方式驗證。在靜態方面則是利用模擬車體結構受力 變形的情形,求出需要加強的部分。最後利用最佳化設計的方法,針對全模組之結構給 予參數化設計,並給定結構振幅最小化之設計目標,求出結構最佳化設計。江 (2005) 利用有限元素法分析機車車架原型設計受力的模式,包含車架的強度與剛性分析以及車 架結構的較佳化設計,利用拓樸最佳化設計結果提供往後的設計方向。劉 (2006)利用 Pro-Engineer 軟體分別建構出一般辦公用之椅子分別分析鋁合金、鈦合金與低碳鋼等材 質在不同的受力面積下的五張椅子應力變化情形,以驗證結構的安全性,而且利用 Pro-Engineer 內部最佳化分析方法設計出一張具競爭力的椅子,並規劃出良好的設計過 程。廖 (2006)利用 ANSYS 有限元素分析軟體,針對複合性材料碳纖維自行車架承受單 一側向負載時,分析探討車架整體的剛性及位移情況,結果提出了自行車車架在相同的 厚度與相同纖維角度排列下,承受側向負載時,疊層位移量最小具有最高的剛性,應力 集中部位也大部份位於管件導圓角接合處。陳 (2005)利用 ANSYS 軟體依美學及機構觀 點建構出產品的實體模型,依不同的邊界條件進行結構上的分析。在結果上,提供了相 同條件下不同材料的車架受力情形,在模擬分析下,而提出了鋁合金 6061-0 的抗拉強 度可達 18000PSI,降伏強渡 8000PSI,伸長率 30%,證明了鋁合金為輕合金中強度及延 展性皆為較佳做為自行車車架材料之產品。

以模型分析之簡化系統方面,Dahlbergl (1997)分別以具有一個自由度與兩個自由 度的車體模型,探討隨機路面行駛時之舒適度與貼地性,並找出最佳化的參數值。Hac (1985)以兩個自由度模擬汽車行經路面的情況,分別探討行駛時的舒適度、路面與避震

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13

的情況分析,並將汽車避震系統以線性二維的物體做運動方程式推導,分析在不同路 況,改變懸吊系統的彈簧係數與阻尼係數以達到減低物體運動的震動情形。

連桿機構原理方面,Sankar 和 Judek (1983)使用拉格蘭吉法 (Lagrange Method) 建立一套機車行經一突起物之運動分析模式。Pennestri 與 Strozzieri (1988)提出以 力比 (Force ratio)曲線做為機車懸吊機構特型變化的指標,並以四連桿與六連桿機車 後懸吊機構為例,說明連桿式懸吊機構之懸吊特性變化的指標。陳 (2001)建立四連桿 與六連桿後懸吊機構圖,共有 13 種,另外並以力比曲線做為設計的指標,發展一套交 談式的電腦程式,開發了一套六連桿後懸吊機構尺寸合成之電腦軟體。陳 (1991)分別 以四連桿與六連桿型避震器為研究對象,進行靜力,動力以及參數靈敏度分析與最佳化 設計,提供一套較佳化參數及運算理論。李 (2001)發展一套針對機車懸吊機構的系統 化設計方法,經由改變吊架配置位置及避震器參數最佳化以降低騎乘時來自路面衝擊力 所造成的振動,改善機車騎乘時的舒適度。

電腦輔助分析軟體應用研究方面,劉等人 (1999)以經驗法則、車手實際路試與電 腦模擬等方式對懸吊系統進行特性評估與分析,並運用 CAD/CAE/CAM 與同步工程的概念 進行整合設計、製造與行銷,建立一個新的生產模式。陳 (2005)分別以 Pro-Engineer 及 Autocad 軟體為 CAD 工具,以美學及機構的觀點建構出鋁合金自行車車架的電腦模 型,再利用 ANSYS 軟體進行有限元素分析,來解決該電腦模型結構上的問題。田 (2003) 利用 ADAMS 軟體驗證悍馬車運用電腦模擬的技術進行分析,探討車輛在改裝後的重心範 圍及限速,從而取代道路測試,利用改變車輛之前後避震器參數來達到車輛改裝的最佳 化設計。王 (2003)利用 ADAMS 軟體建構三維模型,將載重車輛,藉由電腦模擬分析其 運動情形,模擬出車輛應有的動態行為,經由不斷的改變彈簧常數與阻尼係數下,使載 重車輛在操縱的平順性與穩定性取的合理的平衡。其結果指出合理的調整避震器參數能 達到較好的避震效果。陳 (1997)利用 ADAMS 軟體建立一套自行車與避震器之系統模型,

從剛體運動觀點模擬分析自行車遭遇障礙物時之動態反應,探討自行車各元件的位移、

速度、加速度、手把、座墊與避震器的反應,並分析避震器中不同彈簧常數與阻尼係數

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對自行車懸吊系統的影響。並探討含避震器之自行車騎乘時,自行車之騎乘性與舒適 性。高 (1999)利用 ADAMS 軟體,對於傳統自行車之前避震器進行其運動軌跡與動態響 應之探討。該研究建立並分析一套新型自行車前避震系統及轉向系統,提供了一套基本 數學運算模式架構並且對於該電腦模型進行實驗驗證。王 (1997)利用 CAE 軟體建立完 整的自行車避震系統模型,以剛體運動模式來進行動態模擬分析,探討避震結構在遭遇 路面障礙物時之避震性能。在較佳化方面則以改變後避震器裝設位置進行探討,並提出 在該研究所建構之障礙物之反應而言,將後避震器裝設位置上升 5°至 10°能得到較佳的 騎乘舒適度。陳 (1999)利用 CAD/CAE 軟體建構市面上之機車車架,並設計了半正弦波 之路面的模擬狀況,考慮在不同的速度下行駛不規則路面時的反應。其主要探討把手,

踏板、座墊的受震情形,利用改變前後避震參數分析騎乘者騎乘時的舒適度,再根據結 果和 ISO-2631-1 準則進行比對,提供對於人體健康之最佳化避震器參數值。陳等人 (2003)利用 ADAMS 軟體內建之 LIFEMOD 模式分別根據機車車體之把手,把距、踏距及坐 高四個尺寸,來探討機車行駛突起路面時,所產生的振動對騎乘者的舒適度的影響,再 以田口法,品質機能展開法找出機車整體之最佳化組合。結果指出坐高影響騎乘舒適度 為最大,依次為把距、把手及踏距。季 (2005)利用 CAE 軟體建構出人體騎乘自行車 3D 電腦動態模型,並模擬人與車的運動及動力行為,分析加裝後避震器之自行車,對於不 平整路面騎乘舒適度及人體受力情形並提供了改善的參數值。孫 (2004)利用田口法求 出最佳化的參數並結合 ADAMS 軟體進行模擬,探討登山自行車後懸吊系統之最佳化設 計,並利用壽命評估軟體找出車架最佳的壽命。彭 (1993)利用分析軟體,建立機車車 架的幾何模型,以有限元素法分析機車結構之模態行為,並探討行經不規則路面時之舒 適度與控制性。

人因工程分析方面,Bohlmann (1981)與 Holmes et al. (1994)指出,膝蓋骨與股 骨之間,若因不當的自行車車架或是各零組件尺寸而造成運動輕微不協調,可能引發軟 骨磨損等病症。若座墊位置太低,腳踝的屈肌不能有效使用,將造成阿基里斯腱過度壓 迫,

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15

足部須呈背屈以增加力量,方能達到與自行車騎乘者在座墊正確位置時相同運動效能。

要達到踩踏最大力量輸出,其座墊高度應設定為跨高的 109 %,但是在進行較長時間的 自行車運動中,為了維持較高的連續輸出功率,必須降低座墊高度為跨高的 107 %。

Christiaans and Bremner (1998)研究調查則發現跨部高度與座墊到踏板的最佳施力點距 離,男性騎乘者跨高應為 106 %,女性騎乘者跨高應為 107 %。而在腳踏最低點的膝蓋 角度 (α)最大到 150°,在腳踏最高點位置的膝蓋角度 (β)則不小於 65°。Groenendijk et al.

(1992)針對每天以自行車代步 3-10 公里的人進行研究,發現在 900 位調查對象中,有 36%

的男性與 42 %的女性對目前所使用的自行車座墊有所抱怨,其中男性為骨盆部位的骨 頭疼痛、性器官麻木;女性則為外生殖器不舒服、皮膚擦傷、尾骨疼痛等。林 (1983) 研究發現騎乘自行車時,當上半身接近直立,坐骨受力點會向前移動會靠近坐骨,臀部 與座墊之接觸面積較大,因此座墊後部應較寬。而當上半身越向前傾時,則坐骨受力點 即向後移並靠近坐骨,接觸面積減少,座墊應呈現較狹長,座墊鼻端之寬度應考慮騎乘 者踩踏時雙腿的寬度,避免與座墊產生摩擦。胡等人 (1997)針對自行車座墊位置對於 騎乘者舒適度的影響進行探討,透過可調式模擬騎姿形態量測平台於不同座高條件下,

採定速且短時間騎乘,分別詢問受測者手部、腳部、軀幹及臀部等相關位置的主觀舒適 程度,結果指出在上彎式自行車採用直立姿勢使體重全部由座墊承受,因而導致椎間盤 長期受到壓迫,容易造成騎乘者健康的影響。陳 (1996)以騎乘者的主觀感受與生理上 的反應為重點,利用虛擬實境的技術進行實驗,探討騎乘者在上坡路段的總體反應與表 現,模擬出騎乘時的座墊量測壓力及握把處的手部震動值以增加實驗模擬的真實度。自 行車研發中心劉 (1999)對於懸吊自行車的研究指出,避震車架轉點評估中,指出高轉 點具有自動校正、避震效果較佳,但回彈力強,較不舒適;低轉點對傳動的影響小,但 比較不穩定。自行車五點受力測試的實驗結果,座椅負荷約 52%,把手 20%,腳踏板 28%。

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第三章 第三章 第三章

第三章 材料與方法 材料與方法 材料與方法 材料與方法

3-1 研究材料

3-1-1 研究對象

本研究對象為巨大 (Giant)股份有限公司所生產型號 WARP-DS-3 之全懸式自行車 (圖 3-1),車架材質由鋁合金 A6061-T6 製造。該車出產於西元 2004 年,正是自行車車 架從以往較低階高碳鋼材料邁向中高階級鋁合金材料的時期。

圖 3-1 本文研究對象之全懸式自行車 (巨大股份有限公司)

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17 3-1-2 使用軟體

(1) 套裝軟體 I-DEAS

I-DEAS (Integrated Design Engineering Analysis Software)是由美國 SDRC (Structural Dynamics Research Corporation)公司所發展的一套參變數式電腦輔助設計軟體。軟體內 部 主 要 分 為 七 個 模 組 (Application) , 包 括 Design 、 Drafting 、 Simulation 、 Test 、 Manufacturing、Management 及 OpenData/PCB 等。參數式設計建立在拘束條件上,拘束 條件規範所構成模型的物件關係。參數式與變數式幾何核心的主要差異在於拘束條件的 計算。參數式在解方程式時為逐一求解,若條件不足則無法計算。因此它在建構特徵時 必需完全拘束,且不能任意改變特徵順序。變數式是利用變數式幾何 (Variational Geometry),將所有的拘束條件集合成聯立方程式,同時求出所有變數的一組解答。它 在求解時不需要完全拘束,參數順序也不影響求解。相較於參數式技術,變數式需要更 高速計算硬體配合;但在設計上提供更大的彈性。I-DEAS 以參變數式方式設計,在繪 圖時可先畫形狀而後定尺寸。設計者可以任意修改尺寸,並加入其他拘束條件,增加設 計創意,同時處理大型複雜之模型也較容易。

(2) 套裝軟體 ADAMS

ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟體是屬於電腦輔助運 動模擬分析軟體的一種,結合了電腦科技、動力學、機構學與數值分析等方面的技術,

構成了一個功能與應用為廣泛的虛擬設計平台。主要功能是用來模擬分析各種機械系統 及彈性物體、機電整合等較大位移時的運動特性,包含位置、速度、加速度及其受力等。

物體元件質量可隨意設定、物體可以不具有體積與重力場環境,可以隨意自由的選擇物 體運動特性之量測點等。然而基於剛體力學的基本理論與假設,在 ADAMS 的模擬系統 中,所有物體元件均被視為剛體,無法產生任何變形。ADAMS 也可和其它套裝軟體相 結合,使其可以擴大應用到具有彈性的物體、或是物體變形效應較大的系統中,以進行 相關的運動模擬與分析。

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18

3-2 研究方法

為了方便的模擬自行車避震系統在行經路面障礙物時的避震情形及完整的呈現其 動態反應,本研究以軟體建構完整的自行車電腦模型作為模擬用。模擬分析時,將自行 車各組成部位皆視為剛體,以剛體運動分析的理論為基礎,對自行車體之避震系統作動 態模擬分析。避震器設定方面,根據王 (1997)研究結果指出,非線性避震器的避震效果 來的比傳統線性避震器來的好,因此本研究對於前後避震器採用非線性彈簧與阻尼特性 來進行模擬分析,參數設定方面,則參考原廠所提供的避震器參數。

而在模擬分析上,則應用 I-DEAS 及 ADAMS 套裝軟體,以所建構的電腦模型探討 其車架結構強度及前後避震系統之特性,其步驟如下:

(1) 建立有限元素分析之全懸式自行車車架模型

利用 I-DEAS 套裝軟體建構研究對象之全懸式自行車車架電腦模型,定義適當的邊 界條件與負載條件,分析鋁合金 (A6061-T6)、鎂合金 (AZ31B)與鈦合金 (ASTM 等級 1)三種不同材質車架在靜態負載下之結構特性,以畸變能理論探討該車架結構在應用範 圍內的負荷下是否遭到破壞,最後再根據結果提供改良之車架尺寸。

(2) 分析避震系統特性

將 I-DEAS 建構之車架模型與另以 I-DAES 所建構之騎乘者模型進行人–車整合,

再轉檔成 ADAMS 相容之檔案,並在 ADAMS 環境中建構四種不同的路面障礙路況,模 擬自行車體分別以兩種不同速度下行經路面障礙時所呈現的避震反應,以分析探討其避 震性能的特性。在此電腦模擬分析中所探討的是該車行經路面障礙受到衝擊時,手把及 座椅的垂直加速度,作為該自行車在騎乘時舒適度的評估標準。

(3) 探討避震系統改良設計參數組合

在進行避震系統改良設計方面,主要是調整前後避震器之彈簧常數 K 值與阻尼係數 C 值,以及後避震器的裝設位置,探討其對於該自行車體之避震效果的影響。再根據分 析的結果,提供不同體重騎乘者之改良參數組合及避震器裝設位置,使該自行車體之懸

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19 吊系統達到較佳的減震效果。

3-3 電腦模擬分析

本研究是以 WARP-DS-3 之全懸式自行車作為模擬分析對象,利用套裝軟體 I-DEAS 建構自行車車架實體模型,並利用套裝軟體 ADAMS 執行人–車整合之自行車的模擬運 動分析,探討其避震器之避震特性,電腦模擬分析流程如圖 3-2 所示。

I-DEAS 建構 3D 車架電腦模型

圖 3-2 電腦模擬分析流程圖 車架材料相關性質設定

邊界條件與外力負載設定

自行車車架靜態結構分析

UG 方式轉檔至軟體 ADAMS

建構輪胎與路面電腦模型

調整彈簧常數 K 值與阻尼係 數 C 值與調整 避震器裝設位 置

自行車各部位拘束條件設定

建構騎乘者電腦模型

人車整合與模擬分析運算

避震性能分析與改善研究

避震性能改良之參數設計

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20 3-3-1 自行車車架之電腦模型建構

車架電腦模型之建構方式,是依照實際量測研究對象外形 (圖 3-3),及以 I-DEAS 分別建構車體及重要元件之電腦模型 (圖 3-4 與 3-5)。其中重要元件包括:前叉 (Front Fork)、前管 (Head Tube)、上管 (Top Tube)、座管 (Seat Tube)、下管 (Down Tube)、後 上叉 (Seat Stay)、後下叉 (Chain Stay)等,其規格如表 3-1。接著以 I-DEAS 計算各部位 的物理性質 (Interial Properties),包含:質量、質心位置、及相對於質心位置的慣性矩等 (表 3-2)。

後上叉 (Seat Stay) 上管 (Top Tube) 前管 (Head Tube)

後下叉 (Chain Stay) 座管 (Seat Tube) 下管 (Down Tube) 圖 3-3 本研究對象自行車之重要部位元件圖

前叉 (Front Fork)

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21

表 3-1 本研究對象自行車各組成元件規格 規格

部位名稱 截面型式 (mm) 材料型式 重量 (kg)

前管 (Head Tube) Ø 39×2.0 A6061-T6

上管 (Top Tube) □35×20×1.0 A6061-T6

下管 (Down Tube) □85×40×1.5 A6061-T6

座管 (Seat Tube) Ø 33×1.0 A6061-T6

車身總重 9.5

後上叉 (Seat Stay) □28×13×1.5 A6061-T6

後下叉 (Chain Stay) □28×13×1.5 A6061-T6

後四連桿總重 3.5

輪胎 (Wheel) MICHELIN W.G.COMP 26×

1.95

鋁合金雙層輪圈 前後輪分別各重 2

圖 3-4 以 I-DEAS 建構之自行車電腦模型 (前等角視圖)

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22

圖 3-5 以 I-DEAS 建構之自行車電腦模型 (後等角視圖)

表 3-2 車架重要元件之物理性質

手把 前避震機構 車架 後連桿機構

Ixx (kg mm3) 208.726 32133.8 1230.36 18647.8 Ixy (kg mm3) 5.74726 11.4612 1.17094E-11 14.2108 Iyy (kg mm3) 13417.2 7947.63 -309.003 15592.8 Ixz (kg mm3) 16.0575 1.98644 -1.73427E-11 75.8329 Iyz (kg mm3) 41.8026 -10183.1 759.381 1762.45 Izz (kg mm3) 13315.2 32215.8 1615.6 4941.38

Mass (kg) 0.619344 1.65635 0.883464 0.878049

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23 3-3-2 自行車模型驗證

本研究雖然並未對自行車之手把及座位質心位置進行實驗驗證;但以重量比對作粗 略驗證。實際測量整部自行車的重量為 18 至 20 公斤。經由拆下自行車各實體部位進行 量測,再經由 I-DAES 套裝軟體建構之電腦模型比較,整部自行車模擬重量與實際車體 重量大約差 2 至 3 公斤。誤差原因推測是因為量測自行車主體車架重量時,並未把齒輪、

齒條及腳踏板等部位拆下來所造成的少許誤差。

3-3-3 自行車車架模型結構之有限元素分析

建構完整的自行車車架電腦模型後,接著分別以市面上自行車所常用的鋁合金 (A6061-T6)、鎂合金 (AZ31B)與鈦合金 (ASTM 等級 1)三種不同材料構成車架元素,以 I-DEAS 對其進行靜態負荷結構特性之有限元素分析。其步驟如圖 3-6。而三種車架材料 之成份及機械性質分別如表 3-3 及表 3-4 所示。

輸入車架材料性質

圖 3-6 有限元素分析流程圖 定義拘束條件

指定網格類型與元素種類

車架模型分割

有限元素分析

車架結構安全評估

車架尺寸改良

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24

表 3-3 本研究自行車材料之機械成份

Si Fe Zn Cu Mn Ni Mg Cr Al 鋁合金 0.6 0.7 0.25 0.27 0.15 1.0 0.25

鎂合金 0.1 0.005 0.6 0.03 0.15 0.002 8.6

鈦合金 0.6 0.08 0.05 5.5 5.5

表 3-4 本研究自行車材料之機械性質 性質

材料

彈性模數

(GPa)

密度

(kg m/c 3)

蒲松比 剪力模數

(GPa)

降伏強度

(MPa)

鋁合金 (A6061-T6) 69 2.70 0.33 0.33 276(退火)

鎂合金 (AZ31B) 45 1.77 0.35 17 220

鈦合金 (ASTM 等級 1) 103 4.51 0.34 45 170(退火)

所輸入車架的材料性質包含強度、延展性、比重、楊氏係數及蒲松比等其他物理性 質 (圖 3-7)。接著指定材料形式,材料形式包含等向性材料、正交性材料與非等向性材 料等。對於本研究所用三種材料而言,皆屬於金屬材料,通常可視為等向性材料。接著 定義邊界條件,也就是車架的拘束條件與負載位置 (圖 3-8)。其拘束位置設定在車架前 管下方及下管後方部份。負載重量則是採用人體測計資料 (2007)中國人男性 18-65 歲 95

%的男性體重 81.51 公斤,負載重量分佈主要是根據劉 (1999)研究的人體重量騎乘自行 車之分配比例。其分配採用五點配重的方式,其座位部份佔負載重量的 52 %。而車架 有限元素模型網格類型則是選用曲面網格。由於自行車車架形狀複雜,本研究將自行車 架細微部分進行簡化,忽略較細微如導圓角等幾何特徵以節省模擬分析時間。本有限元 素模型分析所採用的元素種類為四面體元素 (圖 3-9),最後經由分析的結果 (圖 3-10),

探討三種不同材料承受負荷時車架靜態負載的結構反應特性。根據此分析,可得知自行 車車架承受負荷時各部位的應力及位移分佈情況及最大的應力分佈區。在結構安全分析

(41)

25

方面,由於車架之三種材料特性皆屬於延展性材料,因此在判別三種車架材料承受負載 時結構是否遭到破壞,則是根據最大畸變能損壞理論來判別該車架結構是否安全,及檢 視其安全係數。最後再根據結果利用該軟體之內建最佳化模組進行該車架尺寸改良。

圖 3-7 I-DEAS 中自行車車架基本材料性質設定

圖 3-8 自行車車架電腦模型拘束條件與負載位置 負載位置

拘束位置

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26

圖 3-9 四面體元素劃分圖

圖 3-10 車架有限元素模型分割圖

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27 3-3-4 輪胎與路面模型之建構

經由 I-DEAS 內部的 UG 轉檔方式可將所建構的自行車車架模型轉至套裝軟體 ADAMS 中,再輸入 I-DEAS 先前所計算的自行車車架模型的材料性質,如密度與質量 等至 ADAMS。接者利用 ADAMS/Solver/Tire 輪胎模組,建構自行車輪胎模型。該模組 內建五種不同類型的輪胎特性,分別為 Fiala 輪胎模型、UA 輪胎模型、User Defined 輪 胎模型、Delft 輪胎模型與 Smithers 輪胎模型 (表 3-5),用以模擬分析車輛輪胎在車輛加 速、減速與轉向時,所產生的力學特性。在路面方面,ADAMS/3D Road 工具模組提供 標準的路面數據檔,另可根據使用者的限制,自由的編寫輪胎及路面程式。模擬路面狀 況再與 ADAMS/Tire 內建輪胎搭配使用,建立一個接近實際的虛擬互動環境。

表 3-5 ADAMS/View 輪胎類型概述

輪胎類型 參數 應用

UA 基本輪胎特性 操縱性分析、復合滑移

Fiala 基本輪胎特性 操縱性分析、純滑移

Delft 實驗獲得參數 操縱性分析、復合滑移

Smithers 實驗獲得參數 操縱性分析、純滑移

User Defined 使用者設定 使用者自訂

(1) 輪胎模型之設定

將自行車前後輪胎視為個別元件,利用 ADAMS 軟體內建的輪胎模型 Fiala 型式來 建構其電腦模型,輪胎幾何外型如圖 3-11 所示。本研究對象所使用的輪胎,前後輪未 受外力負載時的外徑 R1 為 330 mm,輪胎的截面半徑 R2 為 50 mm (圖 3-12)。輪胎的剛 性強度僅考慮與路垂直的方向而忽略縱向 (Longitudinal)與橫向 (Lateral)的剛性效應。

輪胎基本性質包括徑向剛性 (Radial Tire Stiffness)、輪胎徑向阻尼比 (Radial Damping Ratio)、滾動力矩係數 (Rolling Resistance Moment Coefficient)、與路面靜摩擦係數。

(44)

28

圖 3-11 輪胎幾何外型示意圖 (傅 2003)

圖 3-12 以 ADAMS 建構電腦模型之未受負載之輪胎實際尺寸

(45)

29 (2) 路面模型之設定

ADAMS 軟體路面工具模組中內建路面檔資料可用來定義所需模擬路況的幾何外形 與路面–輪胎間的摩擦性質。ADAMS 軟體路面檔形成是由編號 1 到 6 的六個節點所建 構而成 (圖 3-13)。經由定義適當的節點座標及相互的連結關係來產生所需要的路面元素 (element)外形 (圖 3-14)。這六個節點一共可形成四個三角形,即元素 A、B、C 與 D,

每個三角形代表一個元素,其單位法向量均為已知。ADAMS/Solver 需要先在一個已知 的座標系中定義每個節點的座標,就如同有限元素法 (Finite Element Method)節點的定 義一樣,接者就可定義出每個三角形的聯結方式。而當每一個三角形聯結完成後,可個 別定義輪胎與路面不同的摩擦效應。值得注意的是,在電腦模擬分析運算時,輪胎同時 只能與兩個元素接觸。當輪胎與三個以上的元素接觸時,ADAMS 軟體只會隨機計算兩 個元素,且這兩個元素不一定是最重要的,所以必須妥善設計路面元素,以免造成模擬 失真。設定條件中只要在一個已知的座標系中定義每個節點的座標,就可以定義出每個 三角形的聯結方式。當每個三角形聯結完成,即可定義出在各個元素上不同摩擦係數的 路面。

圖 3-13 路面幾何外型示意圖 (傅 2003)

(46)

30

圖 3-14 本研究路面模型之節點元素相關位置

(3) 路面障礙物模型之建構

本研究以不同之路面障礙建構了四種不同類型的路面狀況。模擬道路測試全長皆為 100 公尺,障礙物凸出高度及凹陷深度 5 公分則是參考王 (1997)所設定。第一種為凸起 障礙路面 5 公分 (圖 3-15 與 3-16)。第二種為凹陷障礙深度 5 公分 (圖 3-17 與 3-18)。第 三種為半正弦波凸起障礙尺寸 30×5 公分 (圖 3-19 與 3-20)。第四種為半正弦波凹陷障礙 尺寸 30×5 公分 (圖 3-21 與 3-22),以下分別簡稱各路面障礙路況為 A、B、C 及 D。

(47)

31

圖 3-15 含障礙物 A 路況之路面側面示意圖

圖 3-16 以 ADAMS 建構含障礙物 A 模擬路況之路面

(48)

32

圖 3-17 含障礙物 B 路況之路面側面示意圖

圖 3-18 以 ADAMS 建構含障礙物 B 模擬路況之路面

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33

圖 3-19 含障礙物 C 路況之路面側面示意圖

圖 3-20 以 ADAMS 建構含障礙物 C 模擬路況之路面

(50)

34

圖 3-21 含障礙物 D 路況之路面側面示意圖

圖 3-22 以 ADAMS 建構含障礙物 D 模擬路況之路面

(51)

35

3-3-5 自行車模型之避震器參數及系統邊界條件設定

在建構完成輪胎與路面電腦模型後,再建構前後避震器,而避震器參數則是依照原 廠所提供的參數而設定 (表 3-6)。接著定義自行車電腦模型各部位的拘束條件。本文所 使用 ADAMS 軟體中第一種拘束為固定接頭 (Fixed Joint),所指定的兩物件連接固定不 動,所提供的自由度為零 (圖 3-23),使用在座椅及座管部位 (圖 3-24)、車架前管與手 把相接部位 (圖 3-25)、車架下管與齒輪盤、曲柄、腳踏板 (圖 3-26)、踏墊及後避震器 前端 (圖 3-27)等部位相互固定。第二種拘束為平移接頭 (Translational Joint),即一般的 滑塊,所指定的物件在指定的平面位置上平行移動僅能提供一個自由度 (圖 3-28)。使用 在前避震器之上管與下圓管 (圖 3-29),目的是為了使前避震器在行經不規則路面時還是 保持在壓縮與拉伸的軸向運動。第三種拘束為旋轉接頭 (Revolute Joint),所指定的物件 在另一個物件上且在同一個平面上旋轉,提供一個自由度 (圖 3-30)。使用在前後輪胎相 接於車架之前避震器與後四連桿之後上叉 (Seat Stay)與後下叉 (Chain Stay)相接位置上 (圖 3-31 與 3-32)以及車架下管最底端部位與後四連桿機構 (圖 3-33)及後避震器後端 (圖 3-34)等部位相互連接。第四種拘束為平面接頭 (Planar Joint),提供所指定的物件,

能夠再另一個物件的平面上自由的平移與旋轉,而且完全附著於所指定的平面上不可分 離,使用此街頭時,應與直接接觸力可容許接觸點分離的方式加以區分,所提供的自由 度為五 (圖 3-35)。主要是用在輪胎–路面間以確保輪胎模型完全附著與路面上行駛 (圖 3-36)。

表 3-6 前後避震器參數初始設定值

彈簧 K 值 (N/m) 阻尼 C 值 (N-s/m) 前避震器

17200 1150

後避震器

97500 2050

(52)

36

圖 3-23 ADAMS 內建之固定接頭示意圖

圖 3-24 座椅與座管部位以固定接頭固定示意圖

固定接頭

(53)

37

圖 3-25 車架與手把以固定接頭連接示意圖

圖 3-26 車架與齒輪部位以固定接頭連接示意圖

固定接頭

固定接頭

(54)

38

圖 3-27 後避震器前端以固定接頭連接示意

圖 3-28 ADAMS 內建之平移接頭示意圖

固定接頭

(55)

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圖 3-29 前避震器平移接頭連接示意圖

圖 3-30 ADAMS 內建之旋轉接頭示意圖

平移接頭

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40

圖 3-31 前輪以旋轉接頭固定示意圖

圖 3-32 後輪以旋轉接頭固定示意圖

旋轉接頭

旋轉接頭

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41

圖 3-33 車架與後四連桿機構以旋轉接頭連接示意圖

圖 3-34 後避震器後端以旋轉接頭連接示意圖

旋轉接頭

旋轉接頭

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42

圖 3-35 ADAMS 內建之平面接頭示意圖

圖 3-36 輪胎模型附著與路面上以平面接頭連接圖 旋轉接頭

(59)

43 3-3-6 人機電腦模型之建構

本研究以騎乘者重量作為行駛路面障礙模擬反應測試時的負載,圖 3-37 為人機電 腦模型建構流程圖。首先利用 I-DEAS 軟體建構簡易的騎乘之人體電腦模型 (圖 3-38),

該電腦模型的體重及身高乃依據人體測計資料 (2007)所提供之國人 18 歲至 65 歲的男性 勞工平均體重 65 公斤及 168.7 公分而設定。再根據李 (2001)所提供身高於身體各部位 的分配百分比 (表 3-7)可求出身體各部位長度。而所建構之人體電腦模型再經由 UG 轉 檔方式輸入至 ADAMS 軟體,再以 ADAMS 軟體定義拘束條件,所使用的拘束為固定接 頭 (Fixed Joint)將騎乘者的四肢部位的電腦模型先以在站立的姿勢固定。接者在以騎乘 者的騎乘姿勢利用固定接頭固定至自行車之手把、座椅與腳踏墊等部位完成人–車整合 電腦模型 (圖 3-39)來進行模擬。至於整部自行車所承受來自騎乘者的負載重量分佈主 要是根據劉等人 (1999),研究的人體重量騎乘自行車之分配比例採用五點配重的方式,

重量分別於左右把手、左右踏墊及座椅等位置 (表 3-8)。

騎乘者電腦模型建構

圖 3-37 人機模型建構之流程圖 騎乘者拘束條件設定

騎乘者負載重量設計

人-車整合拘束條件設定

人-車整合電腦模型動態分析

(60)

44

表 3-7 身高於身體各部位的分配百分比

群體部位 各別部位 身體各部尺寸與身高之比例關係 (%)

頭、頸 頭

13 5.2

軀幹 胸

9.8 19

手臂 上臂

下臂 手

18.6 14.6 10.8

腿 大腿

小腿 腳

24.5 24.6 3.9

圖 3-38 人體之電腦模型 圖 3-39 人–車整合之電腦模型

(61)

44

表 3-8 自行車負荷五點分配情形

負荷部位 所佔比例 (%) 負荷大小 (kg)

座椅 52 39

左手把 10 7.5

右手把 10 7.5

左腳踏 14 10.5

右腳踏 14 10.5

總和 100 65

3-3-7 行車模擬狀況設定

本研究模擬自行車行經路面障礙路況之速度設定為 V=10 km/h 和 20 km/h 兩種。須 注意的是,執行動態模擬時,若輪胎初速直接設定為 10 km/h 或是 20 km/h,容易造成 輪胎初始的轉速與車速不相符合。為了避免此情形發生,故利用 ADAMS 軟體內建 motion 工具以步階函數 (Step function)設定 0 至 5 秒速度由 0 上升至 5 km/h,5 至 10 秒 速度分別由 5 km/h 上升至 10 km/h 和 20 km/h (圖 3-40),使自行車行駛速度逐漸上升以 進行模擬分析。

圖 3-40 ADAMS 內自行車行經路面障礙路況之速度設定

(62)

45 3-3-8 避震系統性能模擬分析

本文之自行車避震系統性能分析,是以自行車行經路面障礙路況時騎乘者的手 把及座位質心位置 (圖 3-41)所量測到的垂直方向加速度變化及瞬間加速度值作為評估 自行車避震系統性能,即騎乘舒適度好壞的參考指標。其值越小,表示振動越緩和,騎 乘舒適度越高。分析自行車通過路面障礙時手把及座位垂直加速度變化時,不考慮騎乘 時腳踏力所造成的影響,因此將騎乘者之大腿、小腿及腳踏板與車架視為同一剛體。而 所建構之自行車電腦模型是以車架及前後輪避震系統為主體,並且加入模擬之輪胎與路 面的摩擦效應,並不考慮因避震系統作動,所造成與其他剛體元件間的摩擦效應。

圖 3-41 自行車之手把及座位質心位置

在模擬分析運算方面,自行車進行剛體運動分析時,其分析形式為動力分析。然而 行車前,自行車避震器本身已承受騎乘者 65 公斤的重量負載,所以動態模擬前必須先 進行靜力分析,求出各主要部位的初始平衡位置及騎乘者坐上自行車後之前、後避震器 行程的預負荷。模擬時所選擇計算輸出資料的取樣時間間距為 0.05 秒,而總取樣時間皆 為 20 秒。

(63)

46 3-3-9 避震器參數設定與避震系統之改良

本研究分析調整避震器彈簧與阻尼設計參數,以及改變其在車架上的裝設位置,對 避震系統性能的影響,並提出設計改良建議。在避震器參數調整方面,首先參考原廠所 提供的避震器參數初始值來進行模擬分析。再以電腦模擬分別調整前後避震器之彈簧 K 值及阻尼 C 值並分析比對其避震性能特性。常理上避震器的彈簧數越小,阻尼係數越大 時,避震器整體的表現會越柔軟。所以進行模擬分析時,針對於四種不同路面障礙狀況,

分別各設計十組不同的參數組合進行模擬。

每一組的參數調整以自原廠初始值彈簧常數 K 值每次下降 3000 N/m 及阻尼係數 C 值上升 300 N-s/m。設計參數組合編號 1 號為原廠初始參數,編號 2 至 5 號五組,為只 調整後避震器之參數 (表 3-9);編號 6 至 10 號五組,為只調整前避震之參數 (表 3-10)。

目的在探討分別調整前後避震參數組合下,對於手把和座位之加速度變化及加速度值有 何影響。調整避震器參數時,須注意避震器有壓縮行程的限制 (圖 3-42)。本研究對象之 前避震可壓縮行程大約在 60 mm 至 80 mm,還應包括大約 5-10 mm 的所謂負行程 (把 前叉向外拉,能再伸展的行程)。當騎乘者坐上車後,前避震器產生 10-20 mm 的預壓行 程,實際可用行程也就剩下 45-55 mm。而後避震器可壓縮行程大約在 30 mm 至 40 mm 之間,騎乘者坐上車後,後避震又先壓縮 2-5 mm 的預壓行程,剩下剩下 20 mm 至 35 mm 的壓縮行程,超過避震器壓縮行程則會產生觸底 (bottom out)的現象產生,導致避震器 失去原有的功用。

3-3-10 人因考量之設計改良

在上述的避震器限制下,本文分別針對國人 18 歲至 65 歲女性勞工平均體重 52 公 斤為基礎並且將體重模擬至 95 公斤為上限,探討騎乘自行車時前後避震器之改良設計 參數組合,以提高騎乘時的舒適度。

另外改變後避震器裝設位置的部份,將原裝設位置順時針上升 5°、10°;逆時針下 降 5°、10° (圖 3-43),分析其對騎乘舒適度的影響,及尋求可能之設計改良。

(64)

47

表 3-9 調整後避震器之設計參數組合 編

前避震器彈簧 K 值 (N/m)

前避震器阻尼 C 值 (N-s/m)

後避震器彈簧 K 值 (N/m)

後避震器阻尼 C 值 (N-s/m)

1 17200 1150 97500 2050

2 17200 1150 95500 2350

3 17200 1150 92500 2650

4 17200 1150 89500 2950

5 17200 1150 86500 3250

表 3-10 調整前避震器之設計參數組合 編

前避震器彈簧 K 值 (N/m)

前避震器阻尼 C 值 (N-s/m)

後避震器彈簧 K 值 (N/m)

後避震器阻尼 C 值 (N-s/m)

6 17000 1150 97500 2050

7 16700 1450 97500 2050

8 16400 1750 97500 2050

9 16100 2050 97500 2050

10 15800 2350 97500 2050

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圖 3-42 自行車後避震器壓縮行程示意圖

圖 3-43 自行車後避震器裝設位置調整角度 固定端

5°~10°

-5°~-10°

數據

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參考文獻

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